CN102271854A - 电弧焊接控制方法和电弧焊接控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电弧焊接控制方法和电弧焊接控制装置，交替反复焊丝与被焊接物短路的短路期间、发生电弧从而进行电弧放电的电弧期间，由此进行所述被焊接物的焊接，对焊接中计算出的焊接电压的平均值即平均输出电压与预先设定的设定电压进行比较，根据平均输出电压与预先设定的设定电压之间的比较结果，控制电弧发生时的焊接输出电流，从而在电弧长度变长或变短等的干扰发生时，调整焊丝的熔化量从而调整电弧长度，使短路周期接近恒定。

Description

电弧焊接控制方法和电弧焊接控制装置

技术领域

本发明涉及一种在作为消耗电极的焊接用焊丝和作为被焊接物的焊接母材之间发生电弧从而进行焊接输出控制的电弧焊接控制方法和电弧焊接控制装置。

背景技术

近年来，从地球环境保护的观点出发，在汽车和摩托车领域，为了以提高燃烧利用率为目的的轻量化，不断进行着薄板化。为此，在利用自动装置的进行的薄板电弧焊接中，期待着生产性的提高和焊接质量的提高。并且，谋求焊接速度的高速化与降低溅射以及防止烧穿、咬边(under cut)等缺陷这种相反的课题的解决。其中焊接速度的高速化是增加每单位时间的生产数。此外，通过抑制工件间产生了缝隙时的烧穿，能够提高被焊接物的成品率从而削减修正工序。因此，从市场角度来看，解决这些问题的要求越来越高。

针对这些要求，现有技术中对于焊接速度的高速化和缝隙焊接提出了各种方案。例如，使电弧再发生之后的焊接输出电流高于短路开路之前的焊接电流，由此在电弧再发生之后迅速形成熔滴，缩短短路发生周期从而降低焊接电压可缩短电弧长度(例如，参照专利文献1)。由此，提高焊接速度从而降低输入热量，即便在缝隙焊接中也能够抑制烧穿。

图4表示按照上述现有的输出控制方法焊接时的焊接输出电压·焊接输出电流波形图。图4中的横轴表示经过时间，纵轴表示焊接输出电压·焊接输出电流。在图4中，短路期间101是焊丝与母材短路的状态。电弧期间102是在焊丝与母材之间发生电弧的状态。在电弧再发生时刻103短路开放并再次发生电弧。在短路开放之前，流过短路开放之前电流104a。此外，在电弧期间102，电弧初期电流105a在初期控制期间106的期间流过。

接下来，对图4所示的电流波形，与每个经过时间的控制方法相关联地进行说明。在电弧再发生之后，急剧提高较低的焊接输出电流从而出现电弧初期电流105a。在初期控制期间106的期间输出恒电流，之后通过电弧控制(电压控制)按照逐渐减少焊接电流值的方式进行控制。电弧初期电流105a如图所示那样，被控制在对短路开放之前电流104a加上叠加电流值107之后的值，由此能在焊丝前端迅速形成熔滴。也就是说，控制电弧初期电流105a，使其一定比电路开放之前电流104a高。

由此，能够在电弧再发生之后迅速形成熔滴，缩短短路发生周期，降低焊接电压从而缩短电弧长度。因此，能提高焊接速度从而降低输入热量，即便在缝隙焊接中也能够抑制烧穿。

但是，在上述现有的输出控制方法中，由于外部干扰等电弧长度变得比合适距离长时，如图5所示那样电弧期间102变长。因此，与图4的焊接状态相比短路发生周期变长，焊接输出电压的平均值变高。该情况下，由于焊丝的熔化量较多，因此下一次的短路时间变长，如图5所示短路开放之前的电流值104b变得比前一次的短路开放之前的电流值104a高。此外，电弧初期电流105b也变得比前一次的电弧初期电流105a高。

由于焊接输出电压的平均值变高，因此需要降低输出电压。然而，由于按照电弧初期电流105b高于前一次的电弧初期电流105a的方式进行控制，因此在控制中要提高焊接输出电压。也就是说，所进行的控制无法抑制熔化量进而缩短电弧长度加快短路周期。

因此，在突出长度或电弧长度变长等的干扰发生时，存在焊丝的熔化量变多、电弧期间变长、焊道宽度不均匀这种的问题。此外，由于无法降低输入热量，因此存在缝隙焊接时发生烧穿等的问题。

专利文献1：JP特开2006-021227号公报

发明内容

本发明提供一种电弧焊接控制方法和电弧焊接装置，在突出长度或电弧长度变长等的外部干扰发生时，也能够抑制焊丝的熔化量缩短电弧长度从而加快短路周期。

本发明的电弧焊接控制方法中，交替反复焊丝与被焊接物短路的短路期间、和发生电弧进行电弧放电的电弧期间，由此进行被焊接物的焊接，对作为焊接中计算出的焊接电压的平均值的平均输出电压与预先设定的设定电压，根据平均输出电压与预先设定的设定电压的比较结果，控制电弧发生时的焊接输出电流。

本发明的电弧焊接控制装置交替反复焊丝与被焊接物短路的短路期间、和发生电弧进行电弧放电的电弧期间，由此对被焊接物进行焊接，电弧焊接控制装置具备：焊接电流检测部，检测焊接输出电流；焊接电压检测部，检测焊接输出电压；开关元件，控制焊接输出；短路电弧判定部，判定焊接状态是短路期间还是电弧期间；设定部，用于设定短路期间的电流或电压之中的至少一个、电弧期间的电流或电压之中的至少一个、设定电压、以及规定电流值；电弧初期控制部，控制电弧发生初期时的焊接输出电流；驱动部，根据短路电弧判定部的输出，控制开关元件；计时部，将短路电弧判定部的输出作为输入，对从电弧发生时起的规定时间进行计时，并输出至驱动部；平均电压计算部，根据焊接电压检测部的检测结果计算焊接电压的平均值即平均输出电压；和电压比较部，对由设定部所设定的设定电压与由平均电压计算部计算出的平均输出电压进行比较；电弧初期控制部根据电压比较部的比较结果，控制电弧发生时的焊接输出电流。

根据这种结构，通过根据设定电压与平均输出电压之间的差值来决定电弧再发生时的焊接输出电流，由此在电弧长度变长的情况下、或者变短的情况下等的外部干扰时，能够调整焊丝的熔化量从而调整电弧长度，使短路周期接近恒定降低输入热量。由此，能够使焊道宽度均匀化并抑制缝隙焊接时发生烧穿。这样，相对于干扰发生时或缝隙焊接能够拓展适应范围。

附图说明

图1表示本发明的一个实施方式中的电弧焊接装置的示意结构图。

图2表示该实施方式的电弧焊接装置中的电弧长度比通常焊接时长的情况下的焊接输出电压波形和焊接输出电流波形。

图3表示该实施方式的电弧焊接装置中的电弧长度比通常焊接时短的情况下的焊接输出电压波形和焊接输出电流波形。

图4表示现有的电弧焊接装置中的通常焊接时的焊接输出电压波形和焊接输出电流波形。

图5表示现有的电弧焊接装置中的电弧长度比通常焊接时伸长时的焊接输出电压波形和焊接输出电流波形。

图中：

1    商用电源

2    初级整流部

3    开关元件

4    晶体管

5    次级整流部

6    电抗器

7    短路电弧判定部

8    驱动部

9    设定部

9a   平均电压计算部

9b   电压比较部

10   焊接电压检测部

11   焊接电流检测部

12   电弧初期控制部

12a  焊接输出电流运算部

13   电弧控制部

14   短路控制部

15   计时部

具体实施方式

本实施方式中，焊丝与被焊接物短路的短路期间、以及发生电弧进行电弧放电的电弧期间交替反复进行被焊接物的焊接。在短路期间中预知电弧的发生，从而在电弧发生之前降低焊接输出电流使短路断开。

利用图1至图3对本实施方式的电弧焊接装置和控制方法进行说明。

图1表示本实施方式的电弧焊接装置的示意结构图。图2表示在本实施方式中由于外部干扰等电弧长度变得比通常焊接时的合适长度长且电弧期间也比通常焊接时长的情况下的焊接输出电压·焊接输出电流波形。图3表示在本实施方式中，由于干扰等电弧长度变得比通常焊接时的合适长度短，电弧期间也比通常焊接时短的情况下的焊接输出电压·焊接输出电流波形。

在图1中，从商用电源1输入的交流电被初级整流部2整流，由控制焊接输出的开关元件3变换至交流。开关元件3的输出电压与商用电源1绝缘被变压器4降压，由连接于变压器4的次级侧输出的次级整流部5进行整流，通过电抗器6获得焊接输出。该焊接输出施加在未图示的焊丝与被焊接物之间。

再有，本实施方式的电弧焊接装置具备：焊接电流检测部11，与直流输出端子串联插入，检测焊接输出电流；焊接电压检测部10，连接在直流输出端子的两端之间，检测焊接输出电压；短路电弧判定部，判别焊接状态是短路期间还是电弧期间。再有，本实施方式的电弧焊接装置，具备设定部9，该设定部9设定用于获得焊接电流的设定电流、用于获得焊接电压的设定电压、焊丝的送给速度、电弧焊接时的保护气体的种类、焊丝种类、焊丝直径、脉冲控制的有无或焊口处理的有无等的焊接方法、以及本实施方式中所需要的规定电流值等。设定部9将焊接电压检测部10和焊接电流检测部11的输出作为输入。在设定部9中通过输入上述各种的设定条件，由此设定焊接所需的各种参数。这样，在设定部9中，设定短路期间的电流或电压之中的至少一个、电弧期间的电流或电压之中的至少一个、设定电压、以及规定电流值。

再有，本实施方式的电弧焊接装置具备电弧初期控制部12，该电弧初期控制部12将焊接电流检测部11、焊接电压检测部10、设定部9的输出作为输入，设定并输出电弧再发生初期时的焊接输出电流。本实施方式的电弧焊接装置还具有：驱动部8，根据短路电弧判定部7的输出控制开关元件3的；和计时部15，将短路电弧判定部7的输出作为输入对从电弧发生时起的规定时间进行计时，设定电弧初期控制期间并输出至驱动部8。

再有，在本实施方式的电弧焊接装置中，控制从电弧再发生时起规定时间的输出电流的电弧初期控制部12，将焊接电压检测部10、焊接电流检测部11、设定部9的输出作为输入，并向驱动部8进行输出。在由电弧初期控制部12控制的规定时间以后的电弧期间控制输出电压的电弧控制部13，将焊接电压检测部10、焊接电流检测部11和将电弧期间的电压设定为恒定值或下降电压直线或下降电压曲线的设定部9的输出作为输入，向驱动部8输出。在此，以电压控制说明了电弧期间，但也可以代替电压控制而使用电流控制，在设定部9中设定电流。在短路期间控制输出电流的短路控制部14，将焊接电流检测部11和将电流设定为直线或曲线的组合的电流波形的设定部9的输出作为输入，向驱动部8输出。在此，以电流控制说明短路期间，但也可以代替电流控制使用电压控制，在设定部9中设定电压。计时部15将短路电弧判定部7和设定部9的输出作为输入，对从电弧发生时起的规定时间进行计时，设定电弧初期控制时间并输出至驱动部8。

此外，设定部9具有：平均电压计算部9a，根据焊接电压检测部10的检测结果计算平均输出电压；和电压比较部9b，比较由设定部9设定的设定电压和由平均电压计算部9a计算出的平均输出电压。电弧初期控制部12，具有根据电压比较部9b的比较结果运算并决定电弧发生时的焊接输出电流的焊接输出电流运算部12a，按照从电弧再发生时起规定时间的期间为由焊接输出电流运算部12a决定的焊接输出电流的方式，控制驱动部8。

也就是说，电压比较部9b的比较结果是平均输出电压大于设定电压的情况下，电弧初期控制部12的焊接输出电流运算部12a在预先设定的规定电流值上乘以基于平均输出电压与设定电压的差值的小于1的倍率，计算出电弧发生时的焊接输出电流。电弧初期控制部12，在由计时部15设定的电弧初期控制时间的期间，按照电弧发生时的焊接输出电流成为比规定电流值小的所计算出的焊接输出电流的方式来控制输出。在电压比较部9b的比较结果为平均输出电压小于设定电压的情况下，电弧初期控制部12的焊接输出电流运算部12a，在预先设定的规定电流值上乘以基于平均输出电压和设定电压的差值的大于1的倍率，从而计算出电弧发生时的焊接输出电流。电弧初期控制部12，在由计时部15所设定的电弧初期控制时间的期间，按照电弧发生时的焊接输出电流为比规定电流值大的所计算出的焊接输出电流的方式控制输出。

此外，平均输出电压是预先决定的规定时间的输出电压的平均值，是针对每规定时间计算出的值，根据焊接电压检测部10的输出由设定部9的平均电压计算部9a进行计算。

针对上述那样构成电弧焊接装置，说明其动作。图2表示消耗电极式电弧焊接的短路过渡时的焊接输出电压波形和焊接输出电流波形，横轴表示经过时间，纵轴表示焊接输出电压VL、焊接输出电流IL。并且，图2表示电弧长度比通常焊接时的合适的长度长的情况下的焊接电流波形IL。

在图2中，焊接输出电流IL具有：焊丝与母材短路的电路期间101、焊丝与母材之间发生电弧的电弧期间102、短路开放再发生电弧的电弧再发生时刻103、电弧长度从合适的长度开始伸长的定时108。此外，在电弧再发生时刻103之前以及短路期间101之后的短路开放之前，焊接输出电流IL为短路开放之前电流值104a、104b的值。焊接输出电压VL的波形随着焊接输出电流IL的波形如图所示那样变化。

在本实施方式中，首先在图2所示的电弧再发生时刻103以该时刻为起点由计时部15设定初期控制时间106。由电弧初期控制部12控制该电弧初期控制时间106中的焊接输出电流IL，使其成为电弧初期电流值105a。此外，初期控制时间106通过实验等预先求得。

在电弧初期控制时间106之后的电弧期间102，由电弧控制部13控制输出电压VL。由于手抖或被焊接物的位置偏移等的外部干扰在定时108电弧长度变得比合适长度长的情况下，如图2所示那样与电弧长度为合适长度的情况相比电弧期间102变长，短路的发生延迟，平均输出电压变高。当短路发生延迟时，由于焊丝熔化被促进，因此需要熔化的焊丝前端的熔滴转移至母材的时间，从而下一次的短路时间变长。因此，短路开放之前电流值104b变得比前一次的短路开放之前电流值104a高。

在此，对短路发生延迟、平均输出电压变高、平均输出电压高于设定电压时的本实施方式的控制进行说明。

根据设定部9的输出，在电弧初期控制部12的焊接输出电流运算部12a中，将与设定电压和平均输出电压的差值相应的小于1的规定倍率(系数)乘以设定部9预先设定的规定电流值I，从而求得小于规定电流值的电弧初期电流105d。由此，电弧初期控制部12按照在初期控制时间106的期间流过小于规定电流值I的电弧初期电流105d的方式进行电流控制。

此外，规定电流值I是电弧长度为合适长度时的电弧初期电流值，是能够确保在电弧再发生之后需要充分的电弧长度的电流值。该电流值因设定电流、设定电压、焊丝送给速度、保护气体种类、焊丝种类、焊丝直径、焊接方法等而不同，通过各种实验或设定部9等求得。由于电弧初期电流105d是根据设定电压与平均输出电压的差值而被控制，因此与作为短路开放之前的电流的短路开放之前电流104b无关。

此外，对于现有控制中如图5所示令其一定高于短路开放之前电流104b的电弧初期电流105b，在本实施方式中，在短路发生延迟、平均输出电压较高、平均输出电压高于设定电压的情况下，如图2所示，将其降低至低于短路开放之前电流104b的电弧初期电流105d。由此，由于也能够降低电弧期间102中的电弧初期电流105d以后的期间的焊接输出，因此能够使平均输出电压快速地成为设定电压。

因此，在突出长度或电弧长度变长时等的干扰发生时，能够抑制焊丝的熔化量，缩短电弧长度，加快短路周期降低输入热量。并且，能够使焊道宽度均匀，此外还能抑制缝隙焊接时的烧穿发生，针对干扰发生时以及缝隙焊接能够拓展适应范围。

在上述中，对由于干扰等电弧长度变得比合适长度长、电弧期间102变长时的控制进行了说明。接下来，利用图3对电弧长度比合适长度短、电弧期间变短时的控制进行说明。图3表示本实施方式的电弧焊接装置中的电弧长度比通常焊接时的合适长度短时的焊接输出电压波形VS、焊接输出电流波形IS。图3表示在定时109电弧长度比合适的长度短、电弧期间102变短的情况。图3与图2同样，横轴表示经过时间，纵轴表示焊接输出电压VS、焊接输出电流IS。对于与图2相同的结构使用相同的符号并省略说明。

在定时109电弧长度变短的情况下，如图3所示那样电弧期间102变短，短路发生提前，平均输出电压降低。当短路发生提前时，由于在焊丝前端的熔化部较小的状态下发生短路，因此焊丝前端的熔滴转移至母材为止的时间变短。因此，下一个短路时间变短。这样，如图3所示那样，作为短路开放之前的电流值的短路开放之前电流值104d，低于前一次的短路开放之前电流值104a。

在此，对短路发生提前、平均输出电压降低、平均输出电压低于设定电压时的本实施方式的控制进行说明。根据设定部9的输出，在电弧初期控制部12的焊接输出电流运算部12中，将与设定电压和平均输出电压的差值相应的大于1的规定倍率(系数)，乘以由设定部9预先设定的规定电流值I，从而求得大于规定电流值的电弧初期电流105e。由此，电弧初期控制部12按照在初期控制时间106的期间流过大于规定电流值I的电弧初期电流105e的方式进行电流控制。

此外，上述的规定电流值I，与图2中电弧长度比合适长度长、短路发生的延迟、平均输出电压变高、平均输出电压高于设定电压时的控制中所说明的规定电流值I相同。

其中，作为上述规定倍率的一例，在焊丝为软钢焊丝直径为1.2mm的MAG焊接中以150A进行焊接时，平均输出电压相对于设定电压16.8V的差值为+1V的情况下，上述规定倍率设定为0.95，在差值为-1V的情况下设定为1.05。此时，相对于作为预先设定的规定电流值I的一例的200A，电弧初期电流105d为190A，105e为210A。

此外，这些倍率和电弧初期电流105d、105e的预先设定的规定值，根据设定部9中输入设定的设定电流、设定电压、焊丝送给速度、保护气体种类、焊丝种类、焊丝直径、以及焊接方法等的至少一个在设定部9中进行设定。

此外，在本实施方式中，在平均输出电压与设定电压相等的情况下，按照短路开放之后的电流成为规定电流值I的方式进行控制。

此外，平均输出电压是针对每个规定时间T反复进行计算，但与设定电压比较的平均输出电压，是在电弧初期控制部12进行电流控制的定时计算出的之前的值、也就是计算出的最新的值。

此外，本发明也可以用于脉冲焊接时的短路后的控制。

本发明能针对电弧长度变化的干扰发生时以及缝隙焊接扩大适应范围并提高焊接作业的生产性，因此，主要作为产生短路的焊接中的电弧焊接控制方法和电弧焊接装置在工业上是有用的。

Claims (7)

1.一种电弧焊接控制方法，交替反复焊丝与被焊接物短路的短路期间、和发生电弧进行电弧放电的电弧期间，由此进行所述被焊接物的焊接，其中，

对作为焊接中计算出的焊接电压的平均值的平均输出电压与预先设定的设定电压进行比较，根据所述平均输出电压与所述预先设定的设定电压的比较结果，控制所述电弧发生时的焊接输出电流。

2.根据权利要求1所述的电弧焊接控制方法，其中，

在所述平均输出电压与所述预先设定的设定电压之间的比较结果是所述平均输出电压大于所述设定电压的情况下，按照所述电弧发生时的焊接输出电流成为基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的差值的、小于预先设定的规定电流值的所述焊接输出电流的方式进行控制；在所述平均输出电压小于所述设定电压的情况下，按照所述电弧发生时的所述焊接输出电流成为基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的所述差值的、大于所述规定电流值的所述焊接输出电流的方式进行控制。

3.根据权利要求2所述的电弧焊接控制方法，其中，

在所述平均输出电压大于所述设定电压的情况下，在所述规定电流值上乘以基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的所述差值的小于1的倍率，从而计算出所述电弧发生时的所述焊接输出电流；在所述平均输出电压小于所述设定电压的情况下，在所述规定电流值上乘以基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的所述差值的大于1的倍率，从而计算出所述电弧发生时的所述焊接输出电流。

4.根据权利要求1所述的电弧焊接控制方法，其中，

在所述电弧发生之前降低所述焊接输出电流从而使所述短路断开。

5.一种电弧焊接控制装置，交替反复焊丝与被焊接物短路的短路期间、和发生电弧进行电弧放电的电弧期间，由此对所述被焊接物进行焊接，其中，所述电弧焊接控制装置具备：

焊接电流检测部，检测焊接输出电流；

焊接电压检测部，检测焊接输出电压；

开关元件，控制焊接输出；

短路电弧判定部，判定焊接状态是所述短路期间还是所述电弧期间；

设定部，用于设定所述短路期间的电流或电压之中的至少一个、所述电弧期间的电流或电压之中的至少一个、设定电压、以及规定电流值；

电弧初期控制部，控制所述电弧发生初期时的所述焊接输出电流；

驱动部，根据所述短路电弧判定部的输出，控制所述开关元件；

计时部，将所述短路电弧判定部的输出作为输入，对从所述电弧发生时起的规定时间进行计时，并输出至所述驱动部；

平均电压计算部，根据所述焊接电压检测部的检测结果，计算所述焊接电压的平均值即平均输出电压；和

电压比较部，对由所述设定部所设定的设定电压与由所述平均电压计算部计算出的平均输出电压进行比较，

所述电弧初期控制部，根据所述电压比较部的比较结果，控制所述电弧发生时的焊接输出电流。

6.根据权利要求5所述的电弧焊接控制装置，其中，

所述电弧初期控制部，在所述电压比较部的比较结果是所述平均输出电压大于所述设定电压的情况下，按照所述电弧发生时的焊接输出电流成为基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的差值的、小于预先设定的规定电流值的所述焊接输出电流的方式进行控制；在所述平均输出电压小于所述设定电压的情况下，按照所述电弧发生时的所述焊接输出电流成为基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的所述差值的、大于所述规定电流值的所述焊接输出电流的方式进行控制。

7.根据权利要求6所述的电弧焊接控制装置，其中，

还具备焊接输出电流运算部，该焊接输出电流运算部计算所述电弧发生时的所述焊接输出电流，

在所述平均输出电压大于所述设定电压的情况下，在所述规定电流值上乘以基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的所述差值的小于1的倍率，从而计算出所述电弧发生时的所述焊接输出电流；在所述平均输出电压小于所述设定电压的情况下，在所述规定电流值上乘以基于所述平均输出电压与所述设定电压之间的所述差值的大于1的倍率，从而计算出所述电弧发生时的所述焊接输出电流。

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